IGBT应用中典型故障分析判断及注意事项的探讨
绝缘栅双极型晶体管IGBT, 也称绝缘门极晶体管。它是20世纪80年代中期出现的一种新型复合器件, 它集成了MOS (绝缘栅型场效应管) 和GTR (大功率晶体管) 众多优点, 不仅具有高输入阻抗、开关速度快、饱和压降低、耐压高、承受电流大等优点, 而且工作频率范围宽 (可达几十kHz) , 经过三十多年快速发展, 如今IGBT在开关电源、变频器、逆变器、UPS、交流伺服系统、感应加热装置、家用电器等领域得到了广泛应用。
然而, 随着IGBT模块的应用普及, 其在实际应用中的问题不得不引起重视, 由于操作使用不当、保护电路 (或装置) 选择不合适等原因, 都极易导致IGBT模块故障, 造成不必要的经济损失。本文, 通过对IGBT典型故障、判断方法及注意事项进行探讨, 旨在加深使用者对IGBT模块的了解, 尽量减少实际应用中IGBT模块的故障率。
1 IGBT典型故障分析
通过对IGBT在实际应用中的经验总结, 主要有过压、过流、过热三大原因导致IGBT发生故障。
1.1 过压
(1) 高dv/dt和集-射过压。
很多使用者都曾遇到过电路中的IGBT莫名其妙就损坏了, 更换后正常, 却查不出故障原因, 于是怀疑是IGBT质量问题。其实, 这很可能是使用者对于高dv/dt所引起的过压采用的保护不够重视, 常常只采用无感电容或者RCD电路来吸收, 当IGBT关断瞬间过高的dv/dt引起过压所占的比例较大时, 保护电路吸收不够而导致IGBT的损坏。简而有效的保护方法就是采用电压箝位式吸收电路, 对瞬间过电压进行抑制, 具体电路就是在集-射极两端并接齐纳二极管, 采用栅极电压动态控制, 当集电极电压瞬间超过齐纳二极管的箝位电压时, 超出的电压将叠加在栅极上 (米勒效应起作用) , 就可避免IGBT因受集-射过压而损坏。
此外, 在栅-射极间开路时, 若在集-射极间加上电压, 则随着集电极电位的变化, 由于集电极有漏电流流过, 栅极电位升高, 集电极则有电流流过。如果此时集-射极间存在高电压, 则有可能使IGBT模块发热及至损坏。
(2) 高dv/dt和集-栅过压。
栅极电压动态控制虽可解决因过高dv/dt引起的集-射极瞬间过压问题, 但同时它也存在如下弊端, 当IGBT工作在感性负载电路中时, 半桥结构中处于关断的IGBT, 由于其FRD (快速恢复二极管) 的恢复, 使得其集—射极两端的电压急剧上升, 承受瞬间很高的dv/dt, 多数情况下该dv/dt值要比IGBT正常关断时的集—射极电压上升率高, 由于米勒电容的存在, 该dv/dt值将在集-栅极之间产生一个瞬间电流, 流向栅极驱动电路, 直接导致栅-射极电压Vgeth值的升高, 当超过IGBT的开通门限电压Vgeth值, 就可能导致IGBT被误触发导通, 发生故障损坏, 对于此问题, 可采用快速吸收电路吸收过电压来解决。
1.2 过流
(1) 长时间过流运行。
长时间过流运行是指IGBT的运行指标达到或超出RBSOA (反偏安全工作区) 所限定的电流安全边界 (如选型失误, 安全系数偏小等) , 出现这种情况时电路必须能在电流到达RBSOA限定边界前立即关断IGBT, 才能起到保护IGBT的作用。
(2) 短路超时 (>10μs) 。
短路超时是指IGBT的所承受的电流值达到或超出SCSOA (短路安全工作区) 所限定的最大边界, 比如4～5倍额定电流时, 必须在10μs之内关断IGBT, 如果此时IGBT所承受的最大电压也超过器件标称值的话, 则IGBT必须在更短时间内被关断。
(3) 过高di/dt。
过高di/dt引起的IGBT故障, 其实也可属于过压范围, 很高的di/dt值与线路分布电感的乘积, 导致瞬间过压。这种情况可以根据不同功率的IGBT模块, 来选用不同的snubber (缓冲) 吸收电路来解决。
1.3 过热
过热一般是指使用中IGBT模块的结温T j (目前主流的I G B T模块结温额定值Tjmax=150℃) 超过晶片的最大温度限定。引起过热的原因有很多情况, 栅极电压不足、栅极驱动信号误动作、空载时间不足、超负荷或输出短路过电流、开关频率异常增加、缓冲放电电流过大、栅极电阻值增大、散热不足以及接触面热阻增大、散热设计不完善等缘故, 都容易导致IGBT模块过热而失效。为安全起见, 一般将IGBT模块工作时的结温控制在125℃以下为宜, 必要时可安装温度保护装置。
2 IGBT故障判断方法
IGBT是否损坏可以通过指针式万用表、CT (晶体管特性曲线描绘器) 来判断, 以下方法适合大、中功率IGBT单、双模块及集成式模块的检测, 现以IGBT单模块为例, 测量前需确定被检测IGBT已脱开电路回路, 具体测量方法如下。
2.1 采用指针式万用表测量
如图1所示, 先将IGBT的G、E、C极间短路放电数秒, 以避免影响测量的准确度。然后将万用表的量程拨在R×10kΩ档, 红表笔接的E极, 黑表笔接C极, 此时所测阻值趋于∞;保持表笔不动, 再用手指 (或其它导体) 将C极与G极短接下后断开, 表指针阻值降为某个位置 (一般在100kΩ～200kΩ之间左右) , 且停住不动, 则说明IGBT的开通性能基本正常;保持表笔不动, 再将G, E极间短接下后断开, 阻值又重新变为趋于∞, 且表指针停住不动, 则说明IGBT的关断性能基本正常。实际上, 手指 (或其它导体) 为IGBT的栅、阴结电容提供了充、放电的通路, 当用手指短接下C、G极, 是给栅、阴结电容充电, 断开后因该电容无放电回路, 故电容上的电荷能保持一段时间。该电容上的充电电压, 为正向激励电压, 使IGBT出现微导通, C、E极间的阻值变小;当再次用手指短接G、E极时, 为该电容提供了放电通路, 随着电荷的泄放, 激励电压消失, IGBT变为截止关断, C、E极间的阻值又趋于∞。
然后将万用表的量程打在R×1kΩ档, 红、黑表笔分别正反向测量IGBT的G、E极和G、C极间阻值, 对于正常的IGBT, 如所测值均应为趋于∞。再用红表笔接C极, 黑表笔接E极, 若所测阻值为3.5kΩ左右, 则所测IGBT内含齐纳二极管, 若所测阻值为50kΩ左右, 则不含齐纳二极管。如果所测IGBT的三个极间阻值均很小, 则说明该IGBT已击穿损坏;若所测三个极间阻值均为∞, 则说明该IGBT已开路损坏。
一般的指针式万用表均可用于检测IGBT的好坏, 在检测时需注意, 因IGBT导通需较高的正向激励电压 (约10V左右) , 故需将万用表拨在R×10kΩ档 (该档位内部电池电压为9V或12V) , 其它各电阻档位因内部电池电压太低 (一般为1.5V) , 无法使IGBT模块导通, 从而无法正确判断模块的好坏。
2.2 采用CT装置测量
我们也可采用CT对用以下方法进行测量来判断IGBT是否正常。如图2所示。
(1) 将C-E极间短路, 测量G-E极间的漏电流, 如果正常, 其漏电流应该为数百nA级内。
(2) 将G-E极间短路, 测量C-E极间的漏电流, 如果正常, 其漏电流应该小于模块额定ICES最大值。如出现其他情况, 则说明IGBT已损坏。
3 IGBT在使用中的注意事项
3.1 注意静电
由于IGBT含有MOSFET结构, 其栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。由于此氧化膜很薄, 其击穿电压一般达到20V～30V。因此由静电而导致栅极击穿是IGBT失效的常见原因之一, 故在使用IGBT模块 (以下简称模块) 时需注意以下几点。
(1) 需佩带防静电手腕带或其它防静电工具充分放电后, 方可触摸模块驱动端子。
(2) 对模块进行操作前, 应先将电路底板进行良好接地。
(3) 在用导电材料连接模块驱动端子前, 应先配好线再连接。
3.2 注意寄生电感和振荡电压
在应用中除了要保证模块栅极驱动电压低于栅极最大额定电压, 也需注意由于栅极连线的寄生电感, 和栅极与集电极间的电容会耦合产生使氧化层损坏的振荡电压。为此, 应用中通常采用双绞屏蔽电缆 (屏蔽层接地) 来传送驱动信号, 以减少寄生电感;在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压。
3.3 注意栅极回路故障
当栅极回路不正常或栅极回路损坏时 (如:栅极处于开路状态) , 若在主回路上加上电压, 则模块就会损坏, 为防止此类故障, 应在栅极与发射极之间串接一只10kΩ左右的电阻。
3.4 注意模块的散热
模块与散热片的接触面状态和紧固程度直接影响两者间接触热阻, 在安装或更换模块时, 应在模块与散热片间均匀涂抹适量导热硅脂, 并紧固适当, 以尽量减少接触热阻。一般模块的散热片底部都安装有冷却装置 (风扇或风机等) , 当冷却装置故障引起散热片散热不良时, 将导致模块发热过高而故障。因此应定期对冷却装置进行检查, 必要时可在模块上靠近散热片的地方安装温度感应器, 以便温度过高时报警或停止模块工作。
4 结语
如今, IGBT正向着集成化、模块化的趋势快速发展, 本文对IGBT模块的典型故障、判断方法和注意事项的分析探讨, 有利于提升IGBT模块的工作效率和安全可靠性, 从而促进IGBT模块在其应用领域中的普及。
摘要：本文对IGBT在应用中的典型故障进行了分类分析探讨, 介绍了两种实用的IGBT故障判断方法, 给出了IGBT在使用中的主要注意事项及相关问题的解决措施。
关键词：IGBT,典型故障分析,判断方法,注意事项
参考文献
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